Explicación de los transformadores secos SCB y SGB

1. Introducción

Un transformador opera basado en el principio de la inducción electromagnética. Los componentes principales de un transformador son los devanados y el núcleo. Durante la operación, los devanados sirven como camino para la corriente eléctrica, mientras que el núcleo sirve como camino para el flujo magnético. Cuando se introduce energía eléctrica al devanado primario, la corriente alterna crea un campo magnético alterno en el núcleo (es decir, la energía eléctrica se convierte en energía del campo magnético). Debido a la ligazón magnética (enlace de flujo), el flujo magnético que pasa a través del devanado secundario cambia continuamente, lo que induce una fuerza electromotriz (FEM) en el devanado secundario. Cuando se conecta un circuito externo, la energía eléctrica se entrega a la carga (es decir, la energía del campo magnético se vuelve a convertir en energía eléctrica). Este proceso de conversión "electricidad–magnetismo–electricidad" se realiza basado en el principio de la inducción electromagnética, y este proceso de conversión de energía constituye el principio de funcionamiento de un transformador.

U1N2 = U2N1

U1: Voltaje Primario；N1: Número de Vueltas del Devanado Primario；U2: Voltaje Secundario；N2: Número de Vueltas del Devanado Secundario

Según la norma nacional china GB 1094.16, un transformador seco se define claramente como un transformador cuyo núcleo y devanados no están sumergidos en líquido aislante. Su medio aislante y de enfriamiento es el aire. En un sentido amplio, los transformadores secos se pueden dividir en dos tipos principales: encapsulados y con devanado abierto.

• El tipo "SC(B)" se refiere a un transformador seco encapsulado con resina epoxi (la "B" en la designación del modelo indica que los devanados están hechos de lámina de cobre; la "B" en "SG(B)" tiene el mismo significado). El devanado de alta tensión está completamente encapsulado con resina epoxi, mientras que el devanado de baja tensión generalmente no está completamente encapsulado con resina epoxi—solo las vueltas finales están selladas con resina epoxi (esto también se debe a que el lado de baja tensión lleva una corriente más alta, y un encapsulado completo afectaría negativamente la disipación de calor). Actualmente, los transformadores secos tipo SC(B) son los productos principales en el mercado, y este artículo los utiliza como ejemplo para el análisis. La mayoría de los transformadores tipo SC(B) tienen aislamiento de Clase F, con algunos calificados como Clase H.

• El tipo "SG(B)" es un transformador seco con devanado abierto que utiliza papel aislante NOMEX de DuPont (EE. UU.) para el aislamiento entre vueltas. El devanado de baja tensión está hecho de lámina de cobre, y tanto los devanados de alta como de baja tensión se someten a un tratamiento de aislamiento VPI (Impregnación Bajo Vacío y Presión). La superficie está recubierta con una capa de barniz aislante de resina epoxi. La mayoría de los transformadores secos tipo SG(B) tienen aislamiento de Clase H, con algunos calificados como Clase C.

• Existe otro tipo de transformador seco, designado como "SCR(B)", que es un tipo encapsulado pero no encapsulado con resina epoxi. Está completamente encapsulado utilizando papel NOMEX y gel de silicona, basado en tecnología francesa. Este producto tiene una demanda muy limitada en el mercado. Todos los transformadores secos tipo SCR(B) tienen aislamiento de Clase H.

2 Ventajas de los Transformadores Secos

• Seguros, ignífugos, incombustibles, antideflagrantes, sin contaminación y pueden instalarse directamente en el centro de la carga;

• Sin mantenimiento, con bajos costos totales de operación;

• Excelente resistencia a la humedad—pueden operar normalmente bajo una humedad del 100% y pueden reenergizarse sin presecado después de estar apagados;

• Bajas pérdidas, baja descarga parcial, bajo ruido, fuerte disipación de calor y capaces de operar al 150% de la carga nominal bajo condiciones de enfriamiento forzado por aire;

• Equipados con un sistema de protección y control de temperatura completo, proporcionando una garantía confiable para la operación segura;

• Tamaño compacto, peso ligero, pequeño espacio ocupado y bajo costo de instalación.

3. Desventajas de los Transformadores Secos

• Para la misma capacidad y calificación de voltaje, los transformadores secos son más caros que los transformadores sumergidos en aceite;

• La calificación de voltaje está limitada—generalmente hasta 35 kV, con solo algunos modelos alcanzando 110 kV;

• Generalmente se utilizan en interiores; cuando se utilizan en exteriores, se requiere un recinto protector con una alta clasificación de protección contra ingresos (IP);

• Para los devanados de resina fundida, si se dañan, generalmente necesitan ser desechados por completo, ya que la reparación suele ser difícil.

4. Estructura de los Transformadores Secos

4.1 Devanados
(1) Devanado de capas: Hecho por apilamiento de conductores planos o redondos y enrollándolos en un patrón helicoidal para formar múltiples capas. Se colocan aislamientos o ductos de ventilación entre las capas. El devanado se funde y cura bajo vacío utilizando un molde y equipo de fundición especializado. Proceso: bobinado helicoidal apilado → colocado en el molde → fundición bajo vacío.

(2) Devanado de lámina: Hecho enrollando conductores delgados y anchos, con una vuelta por capa. El aislamiento entre capas también sirve como aislamiento entre vueltas. Los devanados de lámina generalmente utilizan ductos de enfriamiento axiales: durante el bobinado, se insertan tiras espaciadoras en posiciones de vueltas designadas y luego se retiran para formar canales de aire axiales. Después de bobinar en una máquina de bobinado de lámina, el bobinado solo necesita ser calentado y curado—no se requiere molde ni fundición.

¿Por qué se coloca el devanado de alta tensión en la capa exterior y el devanado de baja tensión en la capa interior?
Porque el lado de baja tensión opera a un voltaje más bajo y requiere un menor espacio de aislamiento, colocándolo más cerca del núcleo reduce la distancia entre el devanado y el núcleo, lo que reduce el tamaño y el costo general del transformador. Además, el devanado de alta tensión suele tener conexiones de tomas; colocarlo en el exterior hace que su operación sea más conveniente y segura.

4.2 Núcleo

• Construido apilando múltiples laminaciones de acero silicio recubiertas con barniz aislante;

• El núcleo se sujeta principalmente mediante marcos de sujeción y tornillos de sujeción;

• Los marcos de sujeción superior e inferior comprimen el núcleo y los devanados a través de barras de sujeción o placas de sujeción;

• Los componentes de aislamiento del núcleo incluyen aislamiento de marco, aislamiento de tornillo o aislamiento de placa de sujeción.

¿Por qué debe estar conectado a tierra el núcleo?
Durante la operación normal, el núcleo del transformador debe tener un solo punto de conexión a tierra confiable. Sin conexión a tierra, se desarrollaría una tensión flotante entre el núcleo y la tierra, lo que llevaría a descargas intermitentes de ruptura desde el núcleo a tierra. La conexión a tierra del núcleo en un solo punto elimina la posibilidad de un potencial flotante. 

Sin embargo, si el núcleo está conectado a tierra en dos o más puntos, las diferencias de potencial entre secciones del núcleo causarán corrientes circulantes entre los puntos de conexión a tierra, resultando en fallas de conexión a tierra múltiple y sobrecalentamiento localizado. Estas fallas de conexión a tierra del núcleo pueden causar un aumento severo de la temperatura local, lo que puede desencadenar un salto protector. En casos extremos, los puntos fundidos en el núcleo crean cortocircuitos entre las laminaciones, aumentando significativamente las pérdidas del núcleo y afectando gravemente el rendimiento y la operación del transformador, a veces requiriendo la sustitución de las laminaciones de acero silicio para su reparación. Por lo tanto, los transformadores no deben tener múltiples puntos de conexión a tierra; solo se permite un punto y exactamente un punto de conexión a tierra.

5. Sistema de Control de Temperatura

La operación segura y la vida útil de un transformador seco dependen en gran medida de la seguridad y confiabilidad del aislamiento de los devanados. Si la temperatura del devanado supera el límite térmico de resistencia del aislamiento, el aislamiento se dañará, lo cual es una de las principales razones de las fallas del transformador. Por lo tanto, es críticamente importante monitorear la temperatura de operación e implementar controles de alarma y salto.

(1) Control automático de ventiladores: Las señales de temperatura se miden mediante detectores de temperatura por resistencia Pt100 incrustados en la parte más caliente del devanado de baja tensión. A medida que aumenta la carga del transformador y la temperatura de operación, el sistema inicia automáticamente los ventiladores de refrigeración cuando la temperatura del devanado alcanza 110°C, y los detiene cuando la temperatura disminuye a 90°C.

(2) Alarma de alta temperatura y salto por sobrecalentamiento: Las señales de temperatura de los devanados o del núcleo se recopilan mediante termistores no lineales PTC incrustados en el devanado de baja tensión. Si la temperatura del devanado continúa subiendo y alcanza 155°C, el sistema emite una señal de alarma de sobrecalentamiento. Si la temperatura aumenta aún más hasta 170°C, el transformador ya no puede operar de manera segura, y se debe enviar una señal de salto por sobrecalentamiento al circuito de protección secundario.

(3) Sistema de visualización de temperatura: Los valores de temperatura se miden mediante termistores Pt100 incrustados en el devanado de baja tensión y muestran directamente la temperatura de cada devanado por fase (con monitoreo trifásico, visualización del valor máximo y registro de la temperatura máxima histórica). El sistema proporciona una salida analógica de 4–20 mA para la temperatura más alta. Si se requiere transmisión remota a un ordenador (hasta 1200 metros de distancia), se puede equipar con una interfaz de ordenador y un transmisor, permitiendo el monitoreo simultáneo de hasta 31 transformadores. La señal del termistor Pt100 también puede activar alarmas y saltos por sobrecalentamiento, aumentando aún más la confiabilidad del sistema de protección de temperatura.

6. Caja de Transformadores Secos

Dependiendo de las características del entorno de operación y los requisitos de protección, los transformadores secos pueden equiparse con diferentes tipos de cajas. Generalmente, se selecciona una caja con clasificación IP20, que evita la entrada de objetos sólidos extranjeros con un diámetro mayor a 12 mm y animales pequeños como ratas, serpientes, gatos y pájaros, evitando así fallos graves como cortocircuitos y apagones, y proporcionando una barrera de seguridad para las partes vivas.

Si el transformador debe instalarse al aire libre, se puede utilizar una caja con clasificación IP23. Además de la protección ofrecida por IP20, también previene la caída de gotas de agua a ángulos de hasta 60° desde la vertical. Sin embargo, la caja IP23 reduce la capacidad de enfriamiento del transformador, por lo que se debe prestar atención a la reducción de su capacidad de operación al seleccionar este tipo de caja.

7. Métodos de enfriamiento de los transformadores de seco

Los transformadores de seco utilizan dos métodos de enfriamiento: enfriamiento natural por aire (AN) y enfriamiento forzado por aire (AF).

Bajo el enfriamiento natural por aire, el transformador puede operar de manera continua a su capacidad nominal durante un período prolongado.

Bajo el enfriamiento forzado por aire, la capacidad de salida del transformador puede aumentar en un 50%, lo que lo hace adecuado para la operación con sobrecarga intermitente o condiciones de emergencia de sobrecarga. Sin embargo, durante la operación con sobrecarga, las pérdidas de carga y el voltaje de impedancia aumentan significativamente, resultando en una operación ineficiente; por lo tanto, se debe evitar la operación continua con sobrecarga prolongada.

8. Pruebas para transformadores de seco

• Medición de la resistencia DC de los devanados:
  Verifica la calidad de la soldadura de los conductores internos, la condición de contacto entre los cambiadores de tomas y los conductores, y si las resistencias de fase están desequilibradas. Generalmente, el desequilibrio de resistencia línea a línea no debe superar el 2%, y el desequilibrio de fase a fase no debe superar el 4%. Un desequilibrio excesivo de resistencia DC puede causar corrientes circulantes entre las tres fases, aumentando las pérdidas de corriente circulante y llevando a efectos indeseables como el sobrecalentamiento del transformador.

• Comprobación de la relación de voltaje en todas las posiciones de toma:
  Verifica si el número de vueltas es correcto y si todas las conexiones de toma están correctamente cableadas. Al aplicar 1000 V al lado de alta tensión (y sus diversas tomas), se verifica si el transformador produce aproximadamente 400 V en el lado de baja tensión.

• Comprobar el grupo de conexión de los devanados trifásicos y la polaridad.

• Medir la resistencia aislante de los sujetadores aislados del núcleo y del propio núcleo.

• Medir la resistencia aislante de los devanados:
  Evalúa el nivel de aislamiento entre los devanados de alta tensión, baja tensión y tierra. Generalmente, se utiliza un megohmmetro de 2500 V, y los valores de resistencia aislante medidas (HT–BT, HT–tierra, BT–tierra) deben superar los valores estándar especificados.

• Prueba de voltaje alterno de soporte de los devanados:
  Evaluación de la resistencia principal aislante entre HT, BT y tierra mediante pruebas de resistencia dieléctrica. Esta prueba es decisiva para detectar defectos localizados introducidos durante la fabricación. Para los transformadores de seco, los voltajes de prueba típicos son: 35 kV para el devanado de 10 kV y 3 kV para el devanado de 0.4 kV, cada uno aplicado durante 1 minuto sin ruptura para considerarse aceptable.

• Pruebas de conmutación e interbloqueo de los interruptores en todos los lados del transformador:
  Verifica la confiabilidad de las operaciones de los relés de protección y confirma que el equipo de conmutación esté intacto y libre de defectos.

9. Prueba de Conmutación de Impulso (Inrush)

(1) Cuando se desconecta un transformador sin carga, puede ocurrir un sobretensión de conmutación. En sistemas de energía con neutro a tierra a través de un reactor de supresión de arcos, la magnitud de la sobretensión puede alcanzar 4–4.5 veces la tensión de fase; en sistemas con neutro directamente a tierra, puede alcanzar hasta 3 veces la tensión de fase. Para verificar si el aislamiento del transformador puede soportar la tensión total o la sobretensión de conmutación, se requiere una prueba de impulso.

(2) Al energizar un transformador sin carga, se produce una corriente de magnetización de inrush, que puede alcanzar 6–8 veces la corriente nominal. La corriente de inrush disminuye rápidamente inicialmente—generalmente reduciéndose a 0.25–0.5 veces la corriente nominal en 0.5–1 segundo—pero la disminución completa puede tardar mucho más, hasta decenas de segundos para transformadores de gran capacidad. Debido a las grandes fuerzas electromagnéticas generadas por la corriente de inrush, se realiza la prueba de impulso para evaluar la resistencia mecánica del transformador y para determinar si los relés de protección podrían mal funcionar durante la fase inicial de disminución de la corriente de inrush.
Generalmente, los transformadores recién instalados se someten a 5 pruebas de impulso, mientras que los transformadores revisados se someten a 3 pruebas de impulso.

10. Prueba en Vacío

El propósito de la prueba en vacío es:

• Medir la pérdida en vacío y la corriente en vacío del transformador;

• Verificar si el diseño y la fabricación del núcleo cumplen con las especificaciones y normas técnicas;

• Detectar defectos en el núcleo, como el sobrecalentamiento local o la mala aislación local.

Durante la prueba, el lado de alta tensión está abierto, y se aplica la tensión nominal al lado de baja tensión. La pérdida en vacío es principalmente la pérdida de hierro (núcleo).

Defectos detectables mediante la prueba en vacío incluyen:

• Mala aislación entre las láminas de acero silicio;

• Cortocircuitos locales o daños por quemaduras entre las láminas del núcleo;

• Fallo de aislación en los pernos de tránsito, tirantes de acero, placas de sujeción, yugos superiores, etc., causando cortocircuitos;

• Láminas de acero silicio sueltas, desalineadas o exceso de espacios de aire en el circuito magnético;

• Conexión a tierra múltiple del núcleo;

• Cortocircuitos entre bobinas o capas, o vueltas desiguales en ramas paralelas causando desequilibrio de amperios-vuelta;

• Uso de láminas de acero silicio de alta pérdida y baja calidad, o errores en los cálculos de diseño.

11. Prueba de Cortocircuito

La prueba de cortocircuito mide principalmente la pérdida por cortocircuito e impedancia. Se realiza en la puesta en marcha para verificar la corrección de la estructura del bobinado, y después del reemplazo del bobinado para comprobar desviaciones significativas con respecto a los resultados de las pruebas anteriores.

El suministro de potencia de prueba puede ser trifásico o monofásico, aplicado al lado de alta tensión mientras que el lado de baja tensión está en cortocircuito. Durante la prueba, la corriente del lado de alta tensión se eleva a su valor nominal, y la corriente del lado de baja tensión se controla para mantenerse en la corriente nominal.

12. Manejo de Condiciones Anormales en Transformadores Secos

12.1 Ruido Anormal del Transformador

• Ruido mecánico causado por:

• Pernos de sujeción del núcleo flojos;

• Deformación de las esquinas del núcleo debido a un mal manejo durante el transporte o instalación;

• Objetos extraños que conectan partes del núcleo;

• Pernos de montaje del ventilador flojos o residuos extraños dentro del ventilador;

• Pernos de montaje de la carcasa flojos, causando vibración y ruido del panel;

• Pernos de fijación del bus de baja tensión flojos o falta de conexiones flexibles, lo que lleva a vibración y ruido.

• Voltaje de suministro de entrada excesivamente alto, causando sobreexcitación y un zumbido más fuerte.

• Ruido por armónicos de orden superior: irregular en patrón—variando en volumen e intermitentemente presente. Principalmente causado por equipos generadores de armónicos (por ejemplo, hornos eléctricos, rectificadores de tiristor) en el lado de suministro o carga, retroalimentando armónicos al transformador.

• Factores ambientales: sala de transformador pequeña con paredes lisas crea un efecto "caja de altavoz" resonante, amplificando el ruido percibido.

12.2 Indicación Anormal de Temperatura

• Sensor no insertado en el zócalo trasero de la unidad de visualización de temperatura—se enciende el indicador de fallo;

• Conexión floja en el enchufe del sensor aumenta la resistencia, causando lecturas de temperatura falsamente altas;

• Lectura de temperatura infinita en una fase indica un circuito abierto en el hilo de resistencia de platino del sensor;

• Lectura anormalmente alta en una fase sugiere que la resistencia de platino está en un estado parcialmente roto (intermitente).

Un transformador opera basado en el principio de la inducción electromagnética. Los componentes principales de un transformador son los bobinados y el núcleo. Durante la operación, los bobinados sirven como camino para la corriente eléctrica, mientras que el núcleo sirve como camino para el flujo magnético. Cuando la energía eléctrica se introduce en el bobinado primario, la corriente alterna crea un campo magnético alterno en el núcleo (es decir, la energía eléctrica se convierte en energía de campo magnético). Debido a la ligazón magnética (enlace de flujo), el flujo magnético que pasa a través del bobinado secundario cambia continuamente, induciendo así una fuerza electromotriz (FEM) en el bobinado secundario. Cuando se conecta un circuito externo, la energía eléctrica se entrega a la carga (es decir, la energía del campo magnético se vuelve a convertir en energía eléctrica). Este proceso de conversión "electricidad–magnetismo–electricidad" se realiza basado en el principio de la inducción electromagnética, y este proceso de conversión de energía constituye el principio de funcionamiento de un transformador.